
一般來說,人們傾向於隨意使用「自然之力」這個短語,例如「她真是個自然之力」。但物理學家則更為嚴謹——他們只將這個短語用於四種不同的、普遍存在的力,他們稱之為「基本力」:引力、電磁力以及強核力和弱核力,前者將原子核結合在一起,後者則與放射性衰變有關。
但這並不意味著物理學家排除了其他力量存在的可能性。由於他們用來解釋一切的模型並不完善,因此很有可能存在其他物質,以不同於目前已知的所有力的方式將物質拉開或聚集在一起。
阿默斯特學院和德州大學的物理學家團隊正在尋找第五種潛在的力量——這種力量可能源自於電子自旋與其他亞原子粒子自旋的相互作用。每次我們把兩個磁鐵吸在一起時,都會感受到電子自旋的短程效應——這是因為鐵中的電子會彼此排列——但科學家認為,粒子的自旋也可能導致它們在非常遠的距離上相互作用。
問題在於,即使這種被稱為「自旋-自旋力」的長程作用力確實存在,它也極其微弱,因此極難探測。阿默斯特團隊的首席科學家拉里·亨特計算得出,這種長程自旋-自旋力至少比中子和電子之間的引力弱一百萬倍。由於重力是我們生活中最顯而易見的力,它看起來似乎很強大,但在單個亞原子粒子的尺度上,它幾乎可以忽略不計(兩個電子之間的靜電力比它們的引力強一萬億億億倍)。
但亨特的團隊想出了一個巧妙的辦法來解決這個難題:他們不是試圖探測兩個粒子之間極其微弱的作用力,而是試圖探測地球深處鐵原子中所有旋轉電子的淨作用力。
由於鐵中的電子傾向於與磁場方向一致,亨特意識到,或許可以估算出地函(地球地殼和地核之間的厚層,構成了地球的大部分體積)中所有鐵原子的淨自旋。
亨特與德州大學奧斯汀分校的地球物理學家林榮福合作,計算了地球內部不同區域的磁場強度以及整個地函中電子的淨自旋。研究人員意識到,他們可以利用地球豐富的鐵原子資源,將亨特實驗室中中子所受的長程自旋-自旋相互作用力增強一千萬億倍以上。
儘管如此,挑戰依然眾多:存放研究對象——汞原子的測試艙必須完全隔離,不受四種已知基本力的干擾;而且,團隊用來檢測氣體變化的工具也需要精確校準。 “這有點像打地鼠,”亨特開玩笑說,“你解決了一個問題,另一個問題又冒出來了。”
亨特認為他和他的團隊可以將裝置的靈敏度至少提高幾個數量級。至於這種靈敏度的提升是否足以讓物理學家探測到它——如果這種力量真的存在的話——還有待觀察。